多孔生态混凝土净化生活污水的对比研究.pdf

2 0 1 1 年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCT S 2 01 1 No 3 Ma r c h 多孔生态混凝土净化生活污水的对 比研究 张盛斌 ， 杨 扬 ， 乔永 民， 刘振乾 ( 暨南 大学水 生生 物研究 所 ， 广 州 5 1 0 6 3 2 ) 摘要 ： 分 别 采 用 单 一 粒 径 的 碎 石 和 陶 粒 作 为 粗 骨料 ， 按 照 目标 孔 隙 率为 2 5 、 水 灰 比 为 0 2 6的要 求制 备 两 种 不 同 级 配 的 多孔 生 态 混凝 土试 件 ， 同 时 以这 两 种 骨料 按 等 体 积 紧密 堆 积 并 用 塑料 网框 包 裹作 为对 照 ， 采 用人 工 配 置 废水静 态吸 附试验方法， 定时采样分析其 对总氮( T N) 、 氨 氯( NH4 + - N) 和 总磷( T P ) 的处理效果 。试验结果表明 ， 多 孔生态混凝土试件对氮和磷的吸 附效果明显好于 同期的骨料 塑料 网框 包裹方式 ，以碎石为骨料的生态混凝 土试件 吸 附 氮效 果 好 于 以 陶 粒 为 骨料 的 生 态混 凝 土试 件 ， 对磷 的 吸 附效 果 则相 反 。 对 多孔 生 态 混凝 土 的吸 附机 理进 行 了分 析 。 关键 词 ： 多孔 生 态混 凝 土 ； 陶粒 ； 碎 石 ； 吸 附 Ab s t r a c t ： T w o k i n d s o f p o r o u s e e o - c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t a g g r e g a t e g r a d a t i o n a r e p r e p a r e d wi t h a s i n g l e s i z e o f g r a v e l a n d c e r a mi s i t e a s a g g r e g a t e s r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t o t h e t a r g e t p o r o s i t y o f 2 5 a n d w a t e r c e me n t r a t i o o f 0 2 6 a n d t w o k i n d s o f a g g r e g a t e s a r e s t a c k e d c l o s e l y a c c o r d i n g t o s a me v o l u me a n d p a r c e l e d i n p l a s t i c n e t s a s c o mp a ri s o n n1 e s t a t - i c t e s t o f a d s o r p t i o n i s a d o p t e d a n d w a t e r s p e c i me n s a r e c o l l e c t e d t o mo n i t o r a n d a n a l y z e t h e r e mo v a l e ffi c i e n c y o f t o t a l n i t r o g e n 一 N ) ， a mm o n i a n i t r o g e n ( N H 4 + - N ) a n d t o t a l p h o s p h o r u s ( T P ) i n s y n t h e t i c w a s t e w a t e r p e ri o d i c a l l y e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a ds o r pt i o n e f f e c t o f n i t r o g e n a n d p ho s p ho r us o f p o r o u s e c o c o n c r e t e s p e c i me n s i s be t t e r t h a n t h at o f t h e s a me a g e p l a s t i c n e t s s p e c i me n s ， a n d t h e n i t r o g e n a d s o r p t i o n e f f e c t o f t h e e c o c o n c r e t e wi t h g r a v e l a g g r e g a t e s i s b e t t e r t h a n t h e o n e s wi t h c e r ami s i t e a g g r e g a t e s ，whi l e t h e ph o s ph o rus a d s o rp t i on b e i n g r e v e r s e F i n a l l y ，t h e a ds o rpt i o n me c h a n i s m o f p or o us e。 c o - c o n c r e t e i s a n a l y z e d Ke y wor d s ：Po r o us e c o c o n cr e t e ；Ce r a mi s i t e ；Gr a v e l ；Ads o rpt i o n 中 图分 类 号 ： T U5 2 8 2 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 O 0 4 6 3 7 ( 2 01 1 J 0 3 -1 8 0 4 O前言 多孔 生态 混凝 土也 称环 境 友好 型混 凝 土 、 大孔 混凝 土 、 无 砂 混 凝 土 和植 生 混 凝 土 等 ， 是 一 种 特殊 的混凝土 ， 其制作方法一般是采用特定粒径 的粗骨 料作为骨架结构， 以水泥等材料作为胶结材料均匀 包裹在骨料颗粒表面 ， 形成多孔隙的整体。2 0世纪 8 0年代 以来 ， 欧美 和 日本等 国家 开始研 究并 开发 多 孔 生态 混 凝 土 ， 并 应 用 于 城 市广 场 、 道路 和停 车 场 等地 ， 其对调节城市微气候 、 保持生态平衡起到了 良好 效果 。我 国生 态 混凝 土研 究 和应 用起 步较 晚 ， 目前 的研 究集 中在 生 态混凝 土 的制 作 工艺 优化 、 耐 久性 和 植 生性 改 良及 在 水 利 、 建 筑 、 交 通 和 环保 等 领域 的应 用I l - 2 。生 态混凝 土 因其 多孔 隙率 和较 大 的 比表 面积 ， 当其 浸 泡在 污 水 中时会 发 生 化 学 、 物 理 和生物化学 作用 ， 吸附 和清除 污染物嘲 。考虑到碎 石 和 陶粒来 源 广泛 且价 格相 对较 低 ， 本 文探 索 以碎 石 和 陶粒作 为粗 骨 料 的生态 混凝 土 ， 其 对净 化 污水 效 果及水泥裹覆对骨料水质净化效率的影响 ， 为生态 混凝土应 用于 污染水体 治理 提供一 定 的参 考 。 一 】 8 1 试 验材料 与方 法 1 1 试 验材 料 ( 1 ) 原 材料 P 1 1 5 2 5级 硅酸 盐水 泥 ；粒 径 为 1 0 2 5 mm 的 优质花 岗岩碎石 ；粒径为 1 5 2 0 m m 的普通粘土陶 粒； 聚羧酸系高效减水剂 ， 江西省某公司生产。 ( 2 ) 多孔 生态混凝 土 的配合 比 骨料 的紧密堆积密度和紧密堆积孔隙率见表 1 。 按照 目标空隙率为 2 5 ， 水灰比为 O 2 6的设计要 求 ， 计算出两种多孔生态混凝土的配合 比【圳 ， 见表 2 和表 3 。 表 1 骨料紧密堆积密度和紧密堆积孔隙率 表 2 以碎石为骨料的多孔生态混凝土配合比 k g C m ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张盛斌 ， 杨扬 ， 乔永 民 ， 等 多 孔生 态混 凝土 净化 生活 污水 的对 比研 究 表 3 以 陶粒 为骨 料 的多 孔 生 态 混 凝 土配 合 比k g m 1 2试 验方 法 将 直径 为 1 6 0 m m 的 P VC排 水 管 切 割 成 多 个 高 8 c m 的 圆柱体 模具 ， 容积 1 6 L 。 按照 上述 两 种配 合 比 制作 多 孔 生态 混凝 土试 件 4块 ， 制作 方 法 参 考 文献 5 1 ，其 中每种 配 合 比 2块 试件 设 为 一组 ， 养 护 两周 后 进 行 试 验 。为 便 于描 述 ， 将 以 碎石 为骨 料 的 多孔 生 态 混 凝 土 和 以 陶粒 为 骨 料 的 多孔 生 态 混凝 土 分 别 用 A1和 B1表示 。 另制 作 与上 述 圆柱 体 形 状 相 同 的塑 料 网框 ， 每 个 网框 填放 等 体积 上述 骨料 至 紧 密堆 积 ，共 4块 ， 其 中每种 骨 料配 方 2块 设 为 一组 ， 碎石 网框 包 裹 和 陶粒网 框包裹 分别 用 A 2和 B 2表示 。 试 验 前 将 以上 8块试 件 放 置 清水 中浸 泡 2 4 h ， 烘 干后 备用 。准备 9个塑 料 圆桶 ，每 个 桶 内装 1 0 L 人 工配 置废 水 ( 见 表 4 ) ， 将 8块试 件 放 置 8个桶 内 ， 表 4人 工 配 置 废 水 物 质 含 量 化学组 成 含量 ( m g L ) 氯 化 钱 ( NH C1 ) 硝 酸 钾( KNO 3 ) 磷 酸二 氧钾( K 2 H 2 P 0 4 】 葡 萄 糖 ( C H- 0 6 ) 2 2 55 1 4 44 8 7 9 l 70 0O 剩 余 1 个桶 作 为对 照 。 恒 温 3 0 ，问 隔 1 h 、 2 h 、 4 h 、 1 0 h 、 2 0 h 、 3 0 h 、 5 0 h 和 7 0 h后 取 适 量 水 样 进 行 监 测 ， 监 测 指 标 、 方 法 和 表 5 人工配置废水水质指标 选用 标准 见 表 5。 2结 果与 讨论 2 1总氮 的处 理效果 四组 试 件 对 人 工 配 置 废 水 总 氮 的处 理 效 果 见 图 1 。 浸 泡 l h后 ， 除试 件 A 2 ( 碎石 网框 包裹 ) 的 T N 浓度 略有 上 升外 ， 其 他试 件 的 T N浓 度都 有不 同程 度 的降低 ， 其 中试件 A1 ( 碎 石生 态混 凝土 ) 减 少量 最 大 ， 降低到 8 2 3 mg L 。2 h后 四组试 件 T N浓度 均 上 升 ， 其 中 B 1 ( 陶粒 生 态 混凝 土 ) 试 件 增 加 量最 大 ， 增 加 到 1 0 9 mg L 。A2和 B 2 ( 陶粒 网框 包 裹 )试 件在 2 h 、 A1 试 件 在 4 h 、 B 1试 件 在 1 0 h的 废 水 浓 度 达 到 最 高 日 寸1 日 J h 图 1 四组 试 件 对 人 工 配 置 废 水 总 氮 的影 响 以 3 0 h时 为分 割 点 ， 除 去 自然 的 影 响 ( 对 照 组 的变 化 ) ，计 算 出 四组试 件前 3 0 h和后 4 0 h对 营 养 盐 的 吸附 速 率 ， 见 表 6 。 除 B1 试 件 外 ， 其 余 试 件前 3 0 h对 T N的 吸 附速 率 均 小 于后 4 0 h ， 对 T N的 吸 附表 现为 先慢 后快 。7 0 h时 ， A1 、 B 1 、 A 2和 B 2的 T N 浓 度 依 次 为 ： 0 9 7 m g L 、 2 0 5 mg L、 1 3 9 m g L 和 4 3 4 mg L； T N 的 总 去 除 率 依 次 为 ： 8 9 9 、 7 8 5 、 8 0 4 和 5 4 5 。 A1和 B1 试件 对 T N去 除效 果 好 于 同期 的 A 2 和 B 2试 件 ，表 明水 泥裹覆 对 骨料 的 T N 吸附性 能 不仅 没 有抑 制反 而一 定程 度上 起 了促进 作用 。 A1 和 A 2试 件 对 T N 去 除 效 果 好 于 同期 的 B 1和 B 2试 件 ，表 明碎 石 在 短期 内对 T N 的吸 附效 果 强于 陶 粒 。 由于 碎石 表 面微 孔 吸 附少 量 小 颗粒 尘 土 ， 在 前 l h浸 泡之后 ， A 2试 件 出现 T N浓度 骤增 ， 之 后重新 表 6四组试件前 3 0 h和后 4 0 h对 营养盐 的吸附速率 m g ( L h 1 一 l 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 3期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 7 9期 被 吸 附 ， T N浓 度缓 慢下 降 ；而 陶粒 表 面 的粘 土成 分 浸 泡之后 可 能造成 氮 缓慢 释放 ， 之 后 由于 陶粒 表 面微孔 对 T N的 吸 附效应 逐渐 大 于释 放效 应 ， T - N 浓度 逐渐 开始降低 。 2 2 氨 氮 的处理 效果 自然 水体 中 的氨 氮 主要 通 过 硝 化 和 反 硝 化 细 菌 的硝化 和反硝化作 用将 其转化 为氮 气而去 除 。本 试验 中未 经过 脱 氮菌 的挂 膜处 理 ， 氨 氮 的微 生 物 降 解作 用 可忽 略不计 ， 人 工废 水 中氨 氮 的去 除 主要依 靠短期 内试件 的吸 附和富集 作用 。 四组试 件对 人 工配 置废 水 N H 4 - N 的处 理 效果 见图 2。 时 间 l 图 2 四组试件对人工配置废 水氨氮 的影响 在 整个试 验 过程 中 ，各试 件 N H + _ N浓 度未 出 现 超过原 始 浓度 的现 象 ， 氨氮 浓度 的整体 变化 趋 势 为先缓慢降低然后显著下降最后趋于稳定。 除了 B 2 试件对 N H 4 - N的吸附速率前 3 0 h略慢于后 4 0 h ， 其 余试件均显著快于后 4 0 h ， 7 0 h后 A1 、 B 1 、 A 2和 B 2 试件 N H 4 - N浓 度 依 次 为 ： 0 4 mg L 、 0 2 7 m g L 、 0 8 6 m g L和 1 8 9 mg L ， 总去 除率 分别 为 ： 9 3 4 、 9 5 6 、 8 6 和 6 9 1 ， A1 和 B 1 试 件对 N H 4 - N 的吸 附效果 均 强 于 A 2和 B 2 ， 同 样 表 明 水 泥 裹 覆 对 骨 料 的 N H 4 - N吸附性能有一定促进作用。 2 - 3 总磷 的处 理效果 四组 试 件对 人 工 配 置废 水 总磷 的处 理 效 果 见 图 3 。 B 2试件 在浸 泡后 T P浓度 出现 上升 ， 直 至 l O h 后才逐渐降低 ， A 2试件 T P浓度平缓下降，而Al 和 B 1 试件 T P浓度 4 h后 显著 下 降 ， 2 0 h后趋 于 平 缓 。 总 体而言 ，对 T P的吸附能力 ： B l 试 件 A1 试 件 A 2试 件 B 2试 件 ， 7 0 h后 A1 、 B 1 、 A 2和 B 2试 件 T P浓度 依次 为 ： 0 0 4 m g L 、 0 0 4 m g L 、 1 0 6 m g L和 1 4 7 mg L ， 总去除 率分别 为 ： 9 8 2 、 9 8 2 、 4 6 9 和 一 2 0 2 5 2 0 邑 1 5 J 1 0 0 5 O 时 间 ， h 图 3 四组 试 件 对 人 工 配 置废 水 总 磷 的 影 响 2 6 5 。多 孔生 态混 凝土在 浸 泡后半 段 对 T P的吸 附效果明显优于塑料 网框包裹骨料 ， 水泥裹覆虽然 会减小骨料间的孔隙率 ， 但是骨料表面的薄层水泥 浆在很大程度上阻止 了骨料 自身磷元素 的溶 出和 释放 ， 同 时 由 于水 泥 浸 泡 在水 中 ， 会 溶 析 出大 量 的 C a ( O H ) ： 等碱性物质 ， 与水 中的磷酸根离子反应 生 成 沉淀 而去除6 1 。 2 4多孔生 态混凝 土 的去污机 理分析 多孔生态混凝土内部具有连续的空隙结构 ， 孔 隙 率高 ， 比表面 积 大 ， 具 有 良好 的透水 性 、 过 滤性 和 吸附性能。多孔生态混凝土的去污方式主要集 中在 以下几 个方 面【删 ： ( 1 ) 物理作用 ： 多孔生态混凝 土的孔 隙率一般 在 2 0 3 0 之 间 ， 孔径 从 几微 米 到几 毫 米 ， 同时 生 态混凝土 的制作过程 中添加的减水剂等外加剂也 能增加其 内部 的微孔 结构 。这 种结 构有利 于骨料 更 有 效 的吸附水 中 的污染 物 。 以上 四组试件在浸泡 7 0 h后对 T - N的去除率 范 围在 7 8 5 8 9 8 ； N H 4 - N 的去 除率 范 围在 8 6 0 9 6 4 ； T P的去 除率 范 围在 4 6 9 9 8 2 。 这 表 明 无论 是 水 泥 裹 覆 骨料 的生 态 混凝 土还 是 塑 料网框包裹的普通试件 ， 均拥有较高 的孔 隙率和比 表面 积 ， 有利 于增 强吸 附性能 。 ( 2 ) 化学作用 ： 制作多孔生态混凝土过程中 ， 骨 料表面被裹覆一层薄水泥浆 ， 从而借助水泥的胶粘 作 用 粘成 整体 。当其 浸泡 在水 中时 ， 其微 孔结 构形 成许多个水泥一 水临界面，可促使其 中的 C a ( O H ) z 、 A l 、 M g 等溶析出来 ，这些元素与水 中的铵离子和 磷 酸根 离子 发 生离 子交 换 吸附 ， 从 而达 到净 化 水质 的 目的 。 从 以上试 验 数据 分析 ， 多孔 生态 混凝 土 在 短期 内处 理人 工 模 拟 污 水 的效 率 均 强 于相 同骨 料 的塑 料 网框包 裹方 式 。在 短期 内 ， 以水 泥 为胶 结料 不 仅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 盛斌 ， 杨扬 ， 乔永 民 ， 等 多孔 生态 混凝 土净 化 生活 污水 的对 比研究 能 有 效 的集 中 骨 料 ， 制 造 多孔 隙 的 内部 结 构 ， 而 且 增强 r骨 料对 污染 物 的吸 附能力 。 在多 孔 生态 混 凝 土 试件 中 ，对 T N 和 NH 4 + - N 的 吸附 效 果 ：碎石 骨 料 生态 混 凝 土 陶粒 骨 料生 态 混凝 土 ； 对 T - P的 吸附 效果 ： 陶粒 骨料 生 态 混 凝土 碎 石骨 料生 态混 凝 土 。由于碎 行 的紧密 堆积 孔 隙率 大 于陶 粒 ， 在 制 作 混 凝 土 过 程 中 ， 为 达 到 相 同的 目 标 孔 隙率 要 求 ， 碎石 混 凝 土 的单 位 体 积 水泥 添 加 量 稍 多 于 陶粒 ， 同时 陶粒 表 面氮 因溶 出 释放 造 成 碎 石 生态 混凝 土 吸附 氮 的效 果 较好 。而 陶粒 骨料 生态 混 凝 土 表 面 较 高 的糙 度 和 表 面 孔 隙 率 更 有 利 于磷 酸 根离 子 的吸 附沉淀 。 ( 3 ) 生 化 作 用 ： 多 孔 生 态 混 凝 土 密集 的孔 隙 结 构 十分有 利 于 微 生物 生 长 ， 其表 面及 内部 都 易 于 有 效 富集 微生 物 形成 生 物膜 ， 微生 物 以水 中污 染 物 作 为营 养物 质 ，从 而加快 了水 中污染 物 的去 除速 度 。 微 生 物 生 长 状 况 可 以通 过 溶 解 氧 的消 耗 量 问接 反 映 o l ， 在 7 0 h后 对 水质 溶解 氧浓 度 的测 量显 示 ， 多孔 生 态 混 凝 土 中溶 解 氧 消耗 量 大 于塑 料 网框 包 裹 骨 料 试 件 ( 见 表 7 ) ， 说 明 此 时水 中 已经 逐 渐 开始 富集 微 生物 ， 而且 多 孔生 态 混凝 土 拥有 较 塑 料 网框 试 件 高 的微生 物 挂膜率 。 表 7 试验开始 和结 束时水中溶解氧浓度和氧消耗量 3结 论 ( 1 ) 多 孔 生态 混 凝 土在 短 期 内对较 高浓 度 人 工 配 置废 水具 有 良好 的处理 效 果 ，在处 理 时 间为 7 0 h 时 ， 废 水 中 T N去 除 率 为 7 8 5 8 9 9 ， N H 4 - N去 除率 为 9 3 4 9 5 6 ， T P去 除率 为 9 8 2 。 ( 2 ) 经 过 水 泥 裹 覆 的 生 态 混 凝 土 ， 去 污 效 果 优 于 塑料 网框包 裹 骨 料试 件 ， 水 泥 裹 覆在 短 期 内能 提 高填 料 的去 污能 力 。同时生 态混 凝土 中生 物膜 的挂 膜率 高 于 塑料 网框包 裹 骨料 试 件 ， 更 适 于 微 生 物生 长繁 殖 ， 能在 短期 内有效 富集微 生 物 。 ( 3 ) 在 目标 孔 隙 度相 同 的 条 件 下 ， 不 同骨 料 去 污效 果存 在差 异 ， 对 T N和 N H 4 + 一 N的 吸附 效果 ： 碎 石 骨 料 生态 混凝 土 陶粒 骨 料 生 态混 凝 土 ；对 T P 的 吸附 效 果 ：陶 粒骨 料 生态 混 凝 土 碎 石 骨料 生 态 混凝 土 。 参 考 文 献 ： 【 1 詹 镇峰，李从波 植生混凝 土的研究 与应 用述评 l J J 广东 水利水 电， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 5 7 5 8 【 2 】姜 伟 民 植 生 混 凝 土 综 述 与 开 发 应 用 研 究【 J J l 混 凝 土 ， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 9 7 9 8 【 3 纪 荣平， 吕锡武， 李先宁 生态混凝土对 富营养化水源地水 质 改 善 效 果 l J J 水 资 源保 护 ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 4 ) ： 9 1 9 4 4 】 王蔚 ， 刘海峰 植生型多孔混凝 土配合比设计方法初探f J 江苏建筑， 2 o o 5 ( 1 ) ： 4 6 4 8 【 5 】 虢清伟， 胡勇有， 郑丙辉， 等 植 生混 凝土的透水性能研究 J 水利水 电技术， 2 0 0 6 ， 3 7 f 9 1 ： l 一 4 【 6 吴 义锋， 吕锡武 生态混凝土 介质 预处 理富营养化源水 J 】 l 净水技术， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 7 2 0 7 】陈 志 山 ，刘 选 举 生 态 混 凝 土 净 水技 术 处 理 生 活 污 水 J 给 水 排 水 ， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 2 ) ：1 0 -1 3 8 】 蒋彬 ， 吕锡武， 吴今 明， 等 生态 混凝 土护坡 在水源 保护 区 生态修复工程 中的应用 净水技术， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 4 ) ： 4 7 4 9 【 9 陈志 山 用 于水 污染治理 的生态混凝 土技术【 J j 建筑材 料 学报 ， 2 0 01 ， 4 ( 1 ) ： 6 0 6 4 【 1 0 】许国东， 高建明， 吕锡武 多孑 L 混凝土 水质净化性 fi E J 东 南 大 学学 报( 自然 科 学 版) ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 3 ) ： 5 0 4 5 0 7 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 - 01 - 0 6 作 者 简 介 ： 张 盛 斌 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕 士 研 究 生 。 通 讯 地 址 ： 广 州 市 黄 埔 大 道 6 0 1号 联 系 电话 ： 1 8 9 9 8 4 7 1 4 7 7 E -ma i l ： z h an g s h e n g b i n 8 6 1 6 3 c om 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m